自然状态材料中存在量子临界点

2011-1-24 11:01 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网1月20日报道,近日,一个美日国际研究小组以镱为基础材料研制出一种奇特的新型超导体。该超导体不需要改变压力、磁场强度或经化学掺杂,在自然状态就能达到物理学家所说的“量子临界点”。这一发现突破了理论物理的限制,为人们理解量子临界状态打开了新视野。这种异常性质,也将改变人们对超导体制造、电子数据存储的理解方式。研究论文发表在1月21日的《科学》杂志上。

  “量子临界点”是界定一种材料是不是超导体、如何变成超导体的一个属性评估标准,经过了这个点,材料对电流的电阻会完全消失。尽管进行过各种严密的实验和检测,科学家目前仍然无法完全理解超导材料的“量子临界点”这个关键特征。

  长期以来,科学家通过给材料施加强磁场和高压,或在材料中添加某些原子杂质,转变材料性质将其“调整”到量子临界点,由此实现超导。而新研究首次在不加调整的情况下,让新材料以自然状态到达了量子临界点。

  这项研究开始于2008年,该合作小组中的日本实验物理学家合成了一种由镱、硼和铝元素构成的奇特晶体,其化学式为YbAlB4,并称之为“YBAL”。东京大学研究人员最早在YBAL的β晶体结构中发现了超导电性,并认为可能在其中发现量子临界点。然而当接近绝对零度时,它出现的超导行为掩盖了临界点的位置。

  美方克勒曼小组进一步在多种温度和磁场强度条件下检测了来自东京实验的数据。他们发现所有的数据,在描绘不能观察到的量子临界点(QCP)时会出现曲线坍塌,代之以超导阶段行为。在没有压力和其他参数等外加调整的影响下,量子临界点在零磁场之上不到一根头发的宽度。

  在β-YBAL超导材料中,研究人员观察到了一种奇怪的物质新状态——“临界奇异金属”相。在量子临界点,材料能在传统电行为(物理学家称之为费米液)和超导电行为之间转换,类似于非此非彼的状态,这称为“奇异金属”行为。但目前还不清楚它只在临近量子临界点才发生,还是能在更宽的物理条件下也存在。

  罗格斯大学文理学院物理学与天文学教授皮尔·科尔曼表示,这种新材料本身具有非常简单的量子临界表现,这种结果完全出乎意料,也令人迷惑。